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ハーモニックドライブとESP32を使用したカスタム望遠鏡マウント

概要

  • 天体写真 への興味から自作赤道儀プロジェクト開始
  • PCB設計スキル 習得で自作赤道儀構想が具体化
  • ハーモニックドライブ とESP32を用いた設計詳細
  • OnStepX によるファームウェア統合と運用実績
  • コスト詳細 と自作のメリット・学び

Spark:オリオン大星雲撮影から始まった天体写真趣味

  • YouTubeの Nebula Photos などの影響で天体写真に興味
  • OM System OM-5Olympus 15-140mmレンズ を三脚で使用
  • オリオン大星雲を 2秒露光×300枚 撮影、 Siril でスタック処理
  • さらなる品質向上を目指し、 Move Shoot Moveトラッカー (約€200)を導入
  • 目標天体の導入や極軸合わせの難しさに直面

PCB設計との出会いと自作赤道儀への応用

  • 2024年後半、 PCB設計動画 に刺激を受け自作熱が再燃

  • ESP32 とe-paperディスプレイを使い自宅サーモスタットを自作

  • PCB設計スキルを活かし、赤道儀の自作を決意

  • ハーモニックドライブ (波動歯車装置)採用を検討

  • AliExpress で部品探し、Google検索を駆使

    • 参考になった自作プロジェクト
      • HEMYHrEMDHEMDIY EQ Mount V2
  • ステッピングモーター、BLDCモーター、 Field Oriented Control(FOC)SimpleFOC などのオープンソース実装を調査

設計方針とアーキテクチャ

  • PCB自体は必須ではない が、達成感と美しさを求めて自作

  • ハウジングは FreeCAD で8回以上設計をやり直し

  • 主要構成

    • RA軸: 42AIM15サーボモーター +Type 17ハーモニックドライブ(100:1減速)
    • DEC軸: MKS Servo042Dステッピングモーター +Type 14ハーモニックドライブ(100:1減速)
    • マウント: Arca Swissプレート
    • 動作モード: GEM/ALTAZ
    • マイコン: ESP32-S3
    • 電源: USB-C(最大24V/4A)
    • モータードライブ: ULN2003MODBUS/CANBUS 対応
    • 余剰GPIOピンは将来拡張用にブレイクアウト
  • モーターは 内蔵ドライバ 搭載でPCB設計が容易

  • FOCとマイクロステッピングで高精度追尾を実現

  • CANBUS 経由でステッパーモーターのマイクロステップ制御が可能

  • スリュー時は マイクロステップ数を減らし、高速移動とプロセッサ負荷低減を両立

PCB設計の詳細と失敗からの学び

  • KiCad で半円形PCBを設計、ハウジングにぴったり収まる形状

  • ESP32-S3 (PCBアンテナなし)を最適配置

  • AP33772 IC でUSB PD3.0対応、12V給電対応のモバイル運用

  • CentyLab のPicoPD回路図を参考

  • JST PHコネクタ 採用で小型&2A対応、 Matt Millman の資料を活用

  • 初回PCB失敗例

    • AP33772SAP33772 への部品変更時にピン互換性未確認
    • I2C通信不能&外部PDトリガーボードでチップ破損
    • バージョン2 で徹底検証し問題解決、テストポイントも増設

OnStepXファームウェア統合と運用

  • OnStepX はDIY赤道儀向けオープンソースファームウェア
  • ESP32のWiFi機能で遠隔操作、スリュー中のWiFi不安定問題発生
    • スリューレート低下、マイクロステップ数変更、WiFiクライアント化で安定化
  • カスタムピンレイアウトとスリュー時のマイクロステップ変更以外は ほぼ標準構成で動作

製造・組立・実地運用

  • JLCPCB でPCB製造&CNC加工を一括発注
  • 3Dプリント試作なしでCNC依頼、ほぼ完璧な精度
  • 組立はM3/M4タップでネジ穴加工し、手作業でコスト削減
  • 実際の運用
    • 極軸合わせ、KStars/Ekos/INDIサーバー設定に苦戦
    • WiFi・カメラ・ソフト設定・モーターカップリングなど多くの課題
    • PHD2 で1-2秒角の追尾精度を確認(600mmレンズで30秒露光に十分)
    • カメラは ISO3200、手振れ補正&ノイズリダクションOFF
    • Siril でスタック、マルチナイトスタックは今後の課題

経済性とコスト詳細

  • 総コスト:約 €1,700 (工具類含む)、 単体コストは約€800

  • 工具や部材のまとめ買い・送料でコスト増

  • 商用GOTO赤道儀(€1,200~€4,000)と比較し競争力あり

  • 経済性よりも 学びと達成感 が主目的

    • 主なコスト内訳(抜粋)
      • モーター類:約 €300
      • ハーモニックドライブ:約 €180
      • PCB:約 €180×2回
      • CNC部品:約 €215
      • 工具類:約 €100

まとめと学び

  • 検証工程の省略は禁物 と痛感(特にPCB設計時)
  • OnStepX の存在がDIY赤道儀開発の敷居を大きく下げた
  • FreeCADKiCad の習得、部品選定、組立まで一連の経験値
  • 市販品にはない 自作ならではの満足感
  • 今後もさらなる改良・小型化・多機能化に挑戦予定

Hackerたちの意見

これ、めっちゃすごい!大きなハーモニックドライブマウントをスコープ用に買おうか考えたけど、値段が高すぎて無理だった。自分のスコープでekos/kstars/indiツールをうまく動かすのがどれだけ大変か、痛いほどわかってる。もしPythonでindiデバイスを操作してみたいなら、ちょっとしたPythonコードがあるよ(あんまり洗練されてないけど、自分のニーズには十分な感じ): https://github.com/dahlend/contindi

いいプロジェクトだね。これを書くきっかけは何だったの?EKOSには結構いいスケジューリング機能があるみたいだけど(見たことはあるけど、使ったことはない)。その途中で、望遠鏡に接続されたMeLE 4Cミニコンピュータ上で動いているINDIサーバーを制御するためのTUIを作ったんだ:https://www.svendewaerhert.com/content/blog/telescope-mount/... リモートデスクトップを使った時に信頼性が悪かったから、ヘッドレスセットアップに切り替えたんだ。このTUIはもう少し整理したらGitHubにアップするつもりだよ。

CNC加工された金属パーツを注文できるのが本当に感動的!自分はまだ初心者のCADデザイナーだけど、その技術を学びたいな。

実はめっちゃ簡単だよ!1) ステップファイルをアップロード、2) 何ができるかを見るだけ: https://jlccnc.com/cnc-machining-quote

地元のMaker's Spaceに入ったのは、特に機械工房のためだったんだ。CNCマシンがあって、そのクラスを受けて認定をもらったよ。そこで、映画用カメラのサポートギアのためのシンプルなプレートデザインをCADソフトで作ったんだ。Gコードを生成するソフトもあって、シミュレーターでヘッドクラッシュをチェックできるんだけど、実際に作ろうと行くたびに、誰かがヘッドをクラッシュさせて壊しちゃって、ユニットが使えなかった。結局、普通の金属加工機械を使って手作りすることになったんだ。角が四角くなっちゃったし、穴の位置合わせも思ったほど正確じゃなかった。こういうサイトを知ってたら、CNCで作ってもらえたのにって思う。

FreeCADを使い始めて約3年になるけど、彼が作ったものを見ると本当に驚く。FreeCADが大好きだけど、こんなにイライラさせられるソフトウェアは初めてかも。

3年あれば、いくつかの簡単な押出しやポケットの作り方を学ぶには十分な時間だと思う。ここで見てるのは、基本的にはキャップ付きのパイプみたいなものだし。FreeCADはサーフェスモデリングをやろうとするとすごく複雑になるよね。

本当にそう。7年間趣味でFreeCADを使ってるけど、新しい機能に関してはめちゃくちゃイライラするUXの問題が多い。QAに通らないようなものもあって(自分はFE開発者だから、その辺はわかる)。過剰制約がエラーで、警告じゃない理由を理解しようとしたら、FreeCADフォーラムに何ページにもわたるスレッドがあって、常連たちが「パフォーマンス」のためにすべてが必要なように見えるって言ってた。これは意図的な選択なのに、解決策の制限じゃないのに。こういうゲートキーピングな態度は本当に嫌だな。プロジェクトにはUXの専門家と良いコミュニティマネージャーが必要だと思う。

同意する。暇なときにOnShapeとFreeCADを行ったり来たりしてる。OnShapeはすごく洗練されてる感じがする。FreeCADに戻るのは、いくつかのモデルを買ったから、OnShapeの無料プランで公開したくないから。できることがたくさんあるのはすごいけど、1時間かかると思ったことが、実際には6時間かかることも多い。夜遅くまでやってることもあるし。

FreeCADみたいなプロジェクトには感謝してるけど、デザインしてるときは結構イライラしたこともあったよ。特にランダムにクラッシュすることが多くて、プロジェクトが複雑になるにつれて悪化した。使い方に関しては、FreeCADでのやり方を知ってるかどうかがほとんどだね。FreeCADでできないことには出会ったことがない。別のCADソフトの経験がないから、これに集中できたのかも。

FreeCADが選択肢としてあるのは素晴らしいと思うし、成長を楽しみにしてる。でも、素早く質の高い作業をしたい人には、Autodesk Fusionの無料プランをおすすめするよ。原則的に使わないって人もいるけど、それはそれでいいと思う。趣味で使うには制限も少なくて、質の高いソフトウェアだよ。編集:ダウンボートされてるみたいだけど、仕事をするために非OSSソフトを勧めたからかな。でも、仕事をしたい人には、選択肢を考慮することをおすすめする。すべてのソフトウェアの選択が原則に基づく必要はないよ。

ChatGPTやClaudeは、こういうことをガイドしてくれるのにすごく役立つと思う。ソフトウェアが作りたい機能のためにちゃんとしたドキュメントがあれば、AIはやり方を教えてくれるのが上手だよ。AIが参考資料が足りない深い内容もあるけど、無駄にクリックしたりYouTube動画を早送りで見るよりずっと早いと思う。基礎知識を構築するための勉強ガイドを作るように頼むこともできるし。ただし、いつも通り、ちょっとした幻覚があるから、リンクや参考文献を提供するように頼むのがいいよ。

これめっちゃ好き!指定した惑星や星がどこにあるか計算して、自動でその星や惑星を見つけて追尾するオープンソースのソフトウェアってある?もしそんなソフトがあれば、これらのマウントは使えるのかな?

StellariumとKstars(EKOSが組み込まれてるやつ)は、どちらもすごく良いプラネタリウムソフトだよ。どちらもindiserverと連携できて、マウントやフィルターホイール、カメラなどの天文機器と話せるんだ。私は主にKstarsをマウントの操作に使って、Stellariumはいいターゲットを見つけるために使ってる。

「特定の惑星や星がどこにあるかを計算するオープンソースソフトウェアはありますか?」もちろん。SkyfieldっていうPythonライブラリがあって、それを使うと計算できるよ(他にもいろいろある)。トップページには、火星の方位角と高度を計算する例が載ってるよ:https://rhodesmill.org/skyfield/

そうだね、ここで使われているOnStepファームウェアには、ASCOMやIndiのドライバーが入ってるんだ。これらはWindowsやLinuxのほとんどの天文学ソフトでよく使われる通信プロトコルだよ。それに、古いMeade LX200のシリアルプロトコルにも対応してるから、別の一般的な接続方法でもあるんだ。例えば、スマホのStellariumを使えば、マウントのWi-Fiステーションに接続して操作できるよ。

私が興味あるのは、定量的な測定ができる望遠鏡のマウントかな。基本的には、基本原理から天体測定をするってこと。自分の測定だけで惑星の軌道を解くって、すごく魅力的だと思う。ケプラーたちがやったことを再現するような感じだね。

すごく面白そうなプロジェクトだね。アマチュアの観測を、ただの綺麗な写真以上に活用できるシステムを考えてたんだ。キャプチャした単一のフレームを、生のままメタデータ(時間、座標、キャリブレーションフレーム)と一緒に共有できれば、集約者がそれを科学研究のために処理できるかもしれないし、もっと綺麗な写真も作れるかも。ベラ・C・ルービン天文台は、今や南半球全体を数日でキャプチャできるんだよ。私たちのキャプチャソフトが、地球規模のクラウドソースの望遠鏡アレイに貢献するなんて想像してみて。

ケプラーは望遠鏡なしで、ティコの肉眼観測を使ってやったんだ。

もう一つ面白いプロジェクトは、トランジットする系外惑星のためにホスト星の光曲線をキャプチャすることかも。近くのいくつかは、ただの写真レンズで裏庭から便利にできるよ。ここに、ASI178MM-cを使ってCanon FD 300mmで撮影してるアマチュアがいるよ: https://astropolis.pl/topic/60163-wasp-10-b-w-pegazie-1270-m...

第一原理ではないけど、Seestar S50ロボスコープを使って、星の放出スペクトルを測定するためにディストラクショングレーティングを使っている人がいるよ。

すごいプロジェクトだし、タイミングもバッチリだね!13歳からアマチュア天文学にハマって、いくつかの望遠鏡を持って、家族と星見パーティーでたくさんの時間を過ごしてきたよ。今週は、親の家のBortle 8の庭で、7歳の息子に月と土星を見せるために、大きなMeade 10インチSCTと小さなMeade 4インチニュートンを引っ張り出したんだ。彼の驚きの表情を見るのは素晴らしかったし、親も一緒に見てくれたのが嬉しかった。10インチSCTは古いフォークマウントに載ってて、モーターは付いてるけどGOTO機能は全くないんだ。マウントの選択肢を調べるのにハマったけど、買って解決できると思ってた。でも、GOTOのアイデアは好きだけど、オブジェクトを見つける楽しさも大きいから、なかなか決断できなかった。ZWO 585MCは買ったけど、専用の冷却カメラがずっと欲しかったんだ。それにしても、オブジェクトを探すのに時間を無駄にしすぎてる。Telradだけじゃ足りないこともあるし!3Dプリンターと電子工学の知識を使ってこの問題を解決しようと思ってる。NEMA 17のステッパーモーターに交換することも考えてた。そしたらPiFinderに出会って、これが自動化とプッシュ・トゥ・ガイダンスの絶妙なバランスになると思ってる。https://www.pifinder.io/ これは素晴らしい趣味で、最新の3DプリントやPCB製造のおかげで、これらの問題をすぐに解決できるようになると思う。

ありがとう!ZWOをKstars/EKOSに接続すれば、ソフトウェアでプレートソルビングを使って、望遠鏡がどこを向いているか正確に把握できるし、それに応じて調整できるよ。

でも、GOTOのアイデアは好きだけど、楽しさの大部分はオブジェクトを見つけることなんだよね。この話を読むのが好きなのは、いろんな人がいて、趣味の中にいろんな興味がある余地があるってことがわかるから。特にGOTOマウントには感謝してる。オブジェクトを見つけるのが一番苦手な部分だからね。 :D

これいいね!どうやってみんながしっかりしたPCBを作る方法を学ぶのか、全然わからなかった。いくつか作ったことはあるけど、デカップリングコンデンサーや抵抗が足りないのか、マイコンがあまり安定してない気がする。みんなはどうやってPCBに何を載せるか知ってるの?部品のデータシートを読んで、そこにあるものを追加するの?

基本的に、ほとんどの部品はデータシートに最小限の回路図を提供してるか、参考設計があるから、それをコピーすればいいよ。地面プレーンの使い方や、短く保つべきトレースについては、多少省略されることもあるけど、重要なことはだいたい言及されるし、アプリケーションノートで詳しく説明されることも多いよ。

データシートを確認するのは必須だね。通常、チップの周りに「必須」の部品が示されてるから。それに加えて、ピンの近くにデカップリングキャップを追加したり、グラウンドをしっかり保ったり、参考レイアウトに従うのが良い習慣だよ。経験豊富なデザイナーが自分の選択を説明しているのを聞くだけでも、たくさん学べるよ。ここで見たみたいにね:https://www.youtube.com/watch?v=aVUqaB0IMh4

そうだね、データシートを読む必要があるよ。それに加えて、すべての電源ピンにデカップリングキャップを使って、できるだけチップの近くに配置すること、PCBの一方をグラウンドプレーンにすることが大事だよ。この2つでほとんどの問題は解決できるはず。

MCUを使うなら、回路図がある開発ボードを見つけて、それを参考にするのがいいよ。

ちなみに、これのキットを売ることもできるよ。需要があると思うし、かなり成功する可能性があると思う。理由は、トランプが中国の主要な望遠鏡アクセサリーメーカー、ZWOに対して関税をかけまくってるから。だから、非中国製の代替品を提供できれば…天体写真の分野でPrusa 3Dのような存在を目指してみて。

この素晴らしいプロジェクトについて一つだけ気になる点があるんだけど、彼はトレースを24Vに対応させるために特に太くする必要があるって言ってる。でも実際には、高い電圧は低い電流を意味するから、むしろトレースは細くても大丈夫なんだ。トレースのサイズは運ぶ電流によって決まるし、電圧はトレース間のスペースを決めるけど(この電圧では問題になることはほとんどないと思う)。

いい指摘と説明だね!

いいね。ハーモニックドライブは俺の「お気に入り」の機械要素だよ。ガタが面白いし、キャリアが変形するのを見るのが hypnotic なんだ。